CN114047553A - 一种金属矿体探测仪及探测信号处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种金属矿体探测仪及探测信号处理方法，其中该仪器包括：传感器、电磁信号处理电路、激光传感器和上位机。本发明通过利用激光数据初步判断地质体附近是否含有金属，然后使用传感器来感知待检测地质体反射的天然电磁波信号，并对天然电磁波信号进行放大和筛选处理后得到选频信号，可以对地质体的特性进行分析从而得出该地质体附近金属矿体的种类、埋藏深度、厚度和产状，大大提高了金属矿体的勘测效率,且基本不受常规电气设备、轮船铁质材料或者海浪冲击的影响，具有探测深度大，探测精度高的优点。
Description
技术领域
本发明涉及探测器技术领域，特别是涉及一种金属矿体探测仪及探测信号处理方法。
背景技术
目前在陆地上探测金属矿体的有无，国内、外传统的物探方法基本已经是比较成熟的技术，但对300米以下的矿体尤其是水下的矿体，由于受传统物探原理的体积效应限制,导致矿体埋藏越深，探测越不准。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种金属矿体探测仪及探测信号处理方法。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种金属矿体探测仪，包括：
传感器，用于接收待检测地质体反射的天然电磁波信号；
电磁信号处理电路，与所述传感器连接，用于对所述天然电磁波信号依次进行放大、滤波和选频处理得到选频信号；
激光传感器，用于采集待检测地质体的激光数据；
上位机，分别与所述电磁信号处理电路和所述激光传感器连接，用于显示所述选频信号，并根据激光数据判定待检测地质体是否富含金属。
优选的，还包括：
激光器驱动电路，与所述激光传感器连接，用于驱动所述激光传感器发出激光。
优选的，所述激光器驱动电路包括：
电压放大电路，用于对初始电压信号进行放大，得到放大后的电压信号；
第一晶体管，所述第一晶体管的基极与所述电压放大电路的输出端连接，所述第一晶体管的集电极与所述激光传感器的供电端连接；
第二晶体管，所述第二晶体管的集电极分别与所述第一晶体管的发射极和所述激光传感器的另一供电端连接。
优选的，还包括：
电阻，所述电阻的一端与所述第一晶体管的发射极连接，所述电阻的另一端与所述第二晶体管的集电极连接。
优选的，所述传感器，包括：
第一覆铜板；
第二覆铜板，所述第二覆铜板通过胶水粘连在所述第一覆铜板上，且所述第一覆铜板和所述第二覆铜板之间具有绝缘层；
铁皮，所述铁皮包覆在所述第一覆铜板外侧。
优选的，所述第一覆铜板和所述第二覆铜板的尺寸和厚度均相同。
本发明还提供了一种探测信号处理方法，所述方法应用于上述的一种金属矿体探测仪，包括：
获取待检测地质体反射的天然电磁波信号；
对所述天然电磁波信号依次进行放大和滤波后得到放大后的天然电磁波信号；
根据待检测地质体在海中的深度确定截止频率的电压值；
利用所述截止频率的电压值对所述放大后的天然电磁波信号进行筛选得到选频信号；
获取待检测地质体的激光数据和激光传感器与待检测地质体的距离；
根据所述激光数据和所述距离计算待检测地质体反射的激光束的接收功率；
根据所述接收功率判断所述待检测地质体是否富含金属。
优选的，所述根据待检测地质体在海中的深度确定截止频率的电压值，包括：
采用公式：
确定截止频率的电压值；其中，Vfi为截止频率的电压值，γ为待检测地质体顶界面对电磁波的反射系数，σ为待检测地质体的应力值，
为待检测地质体的视电阻率，H为待检测地质体所在深度，A为附加常数，a为仪器监测频点的二分之一带宽，B为传感器灵敏度参数，Ci为系数，k为常数，且k＝9.4×105，v为泊松比，E为弹性模量。
优选的，所述根据所述激光数据和所述距离计算待检测地质体反射的激光束的接收功率，包括：
采用公式：
计算激光束的接收功率；其中，pR表示激光束的接收功率，PT表示发射的激光束功率，m表示调制器的光波调制度，As表示激光束的孔径面积，At表示地质体反射激光的有效面积，Ωt表示地质体散射立体角，Ωs表示发射光束立体角，R表示激光传感器到地质体的距离，ρ表示地质体反射率，T表示总透光率，μ表示大气消光系数。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明通过利用激光数据初步判断地质体附近是否含有金属，然后使用传感器来感知待检测地质体反射的天然电磁波信号，并对天然电磁波信号进行放大和筛选处理后得到选频信号，可以对地质体的特性进行分析从而得出该地质体附近金属矿体的种类、埋藏深度、厚度和产状，大大提高了金属矿体的勘测效率,且基本不受常规电气设备、轮船铁质材料或者海浪冲击的影响，具有探测深度大，探测精度高的优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的实施例中的电磁波接收原理图；
图2为本发明提供的实施例中的激光器驱动电路图；
图3为本发明提供的实施例中的传感器结构图；
图4为本发明提供的实施例中的金属矿体探测仪电磁部分工作原理图；
图5为本发明提供的实施例中的双T网络电路图；
图6为本发明提供的实施例中的金属矿体探测仪电磁部分原理图；
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
本申请的说明书和权利要求书及所述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”和“第四”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤、过程、方法等没有限定于已列出的步骤，而是可选地还包括没有列出的步骤，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤元。
本发明的目的是提供一种金属矿体探测仪及探测信号处理方法，以解决传统勘探方法精度低的问题。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：一种金属矿体探测仪，包括：
传感器，用于接收待检测地质体反射的天然电磁波信号；
电磁信号处理电路，与所述传感器连接，用于对所述天然电磁波信号依次进行放大、滤波和选频处理得到选频信号；
激光传感器，用于采集待检测地质体的激光数据；
上位机，分别与所述电磁信号处理电路和所述激光传感器连接，用于显示所述选频信号，并根据激光数据判定待检测地质体是否富含金属。
本发明中的金属矿体探测仪接收天然电磁波整个过程如图1所示。图1中左图是仪器接收电磁波工作原理示意图。右图是仪器将传感器中的电子扰动经对预设频段(f1、fL)进行选频后放大的V-f图。本发明传感器接收的是天然超低频段电磁波。目前的理论研究成果普遍认为这部分电磁波一部分来自太阳风(各种射线和粒子流)轰击高空中的电离层和磁层时，磁层和电离层产生0～2万Hz的脉冲电磁波，另一部分来源于大气层中的雷电部分。当来自高空的电磁波到达地面后，这部分电磁波一部分进入地下，一部分又反射回去。进入地下的电磁波遵从大地低频窗口截频公式：f＝kρ/(a+h)2,k＝9×105。反射回地表的这部分电磁波，其频率的大小和量值的多寡与界面的深度和物性特征有关，俗称界面反射系数，用
表示。
金属矿体探测仪就是将地下反射回来的不同频率的电磁波通过接收放大，转变成电压数字，通过一定的数理方程进行处理来提取地质信息的。如果是用人耳听，只需要把不同的电压转变成音响就可凭人耳识别音调、音量的变化。本发明的金属矿体探测仪探测的频段范围通常为100～3000Hz。这一频段的天然电磁波属于超低频段，按传统的电磁波理论，波长为100～3000km。
依据的基本公式是物理学中的大地低频窗口公式：
该公式表明进入地下的电磁波在被地下某一深度物性界面反射回地表时，能量的衰减是原来的0.707倍。这部分电磁波如果用传感器来接收，采用选频电路对其进行筛选，其截止频率的电压值理论推导计算式为：
其中，Vfi为截止频率的电压值，γ为待检测地质体顶界面对电磁波的反射系数，σ为待检测地质体的应力值，
为待检测地质体的视电阻率，H为待检测地质体所在深度，A为附加常数，a为仪器监测频点的二分之一带宽，B为传感器灵敏度参数，当使用同一台仪器进行测量时，这两个参数(a和B)在公式中就相当于一个常量，Ci为系数，k为常数，且k＝9.4×105，v为泊松比，E为弹性模量。
请参阅图2，进一步的，本发明还包括：激光器驱动电路，与所述激光传感器03连接，用于驱动所述激光传感器03发出激光。所述激光器驱动电路包括：电压放大电路021、第一晶体管Q1、第二晶体管Q2和电阻R4。
电压放大电路021，用于对初始电压信号进行放大，得到放大后的电压信号；初始电压信号包括Vin1和Vin2，Vin1和Vin2输入电压放大电路后，电压放大电路可以对Vin1和Vin2进行放大，以得到放大后的电压信号，在本发明实施例中，电压放大电路可以为运算放大器。
所述第一晶体管Q1的基极与所述电压放大电路的输出端连接，所述第一晶体管Q1的集电极与所述激光传感器的供电端连接；所述第二晶体管Q2的集电极分别与所述第一晶体管Q1的发射极和所述激光传感器的另一供电端连接，所述第二晶体管Q2的基极耦合在某一偏置电压Va上，且VDD和VSS用于向激光器驱动电路提供电源电压。所述电阻R4的一端与所述第一晶体管的发射极连接，所述电阻R4的另一端与所述第二晶体管Q2的集电极连接。
请参阅图3，进一步的，本发明的传感器，包括：第一覆铜板1、第二覆铜板2和屏蔽层3。
所述第一覆铜板1和所述第二覆铜板2的尺寸和厚度均相同，其中二者的长度为255mm，宽度为130mm，厚度为1.5mm。所述第二覆铜板通过胶水粘连在所述第一覆铜板上，且所述第一覆铜板和所述第二覆铜板之间具有绝缘层；所述屏蔽层包覆在所述第一覆铜板外侧，且屏蔽层的材料为铁。在实际应用中，两块覆铜板必须要平，屏蔽层可用铁皮包覆在所述第一覆铜板外侧，且传感器与前置放大电路的连线越短越好。
请一并参阅图4-6，进一步的，本发明的放大电路包括0路前置放大电路和1路前置放大电路，用于将传感器接收到的微弱天然电磁波信号逐级放大，然后在输入到选频电路中进行频率筛选。带通滤波电路，分别与所述放大电路和所述选频电路连接，用于去除外界噪声；本发明中的选频电路可以选单一频率放大或者选不同频率放大，选频电路的工作原理就是将放大电路放大的信号按照要求将各频段筛选出来，然后将各频段信号输入到整流电路中，需要说明的是，本发明的1路带通电路是基于双T网络电路构建的，可对不同深度的电磁波频率筛选，然后在根据深度逐级放大输入到整流电路。整流电路，分别与所述选频电路和所述上位机(计算机或者嵌入式控制器)连接，用于将所述选频信号进行A/D转换，形成数字信号。
本发明的传感器、放大电路和选频电路等均设置在箱体内，且箱体规格为：428mm×360mm×190mm。在所述箱体上还设置有仪器控制面板，主要由指示灯、通讯口1、通讯口2、电源插孔、开关、复位键、0路调节、1路调节、接地端9个部件组成。其中，通讯口1，用于与上位机连接；通讯口2，用于拷贝数据；0路调节和1路调节旋钮用于手动调节选频电路的增益，复位键，用于复位。
采用本发明的金属矿体探测仪在海面上探测一个物理点，基本上相当于打一个钻孔所获得的某些地质资料。由于金属矿体产状较陡，所以探测时，仪器底板的法线基本垂直于矿体。探测时的步长是1米。一般是在矿体的走向上追踪矿体水平方向的延伸，在矿体的倾向上追踪矿体在垂直方向的延伸，同时借助已知资料的曲线特征和物性柱状图对后面的探测点进行地质解译，判断金属的分布情况等。
本发明公开的金属矿体探测仪体积小、重量轻，操作简单，只需3个人即可在轮船上开展外业工作；抗干扰能力强,基本不受常规电气设备、轮船铁质材料和海浪冲击的影响。探测深度大，可以探测水下1500m以内的地层。由此可见，采用本发明的金属矿体探测仪能显著提高工作效率，缩短传统地质、物探、钻探的整个找矿周期1/2—2/3，大大节约了勘测成本。
本发明还提供了一种探测信号处理方法，所述方法应用于上述的一种金属矿体探测仪，包括：
步骤1：获取待检测地质体反射的天然电磁波信号；
步骤2：对所述天然电磁波信号依次进行放大和滤波后得到放大后的天然电磁波信号；
步骤3：根据待检测地质体在海中的深度确定截止频率的电压值；
步骤4：利用所述截止频率的电压值对所述放大后的天然电磁波信号进行筛选得到选频信号；
步骤5：获取待检测地质体的激光数据和激光传感器与待检测地质体的距离；
步骤6：根据所述激光数据和所述距离计算待检测地质体反射的激光束的接收功率；
步骤7：根据所述接收功率判断所述待检测地质体是否富含金属，可通过与预设的阈值比较判断待检测地质体是否富含金属。
进一步的，步骤3具体包括：
采用公式：
确定截止频率的电压值；其中，Vfi为截止频率的电压值，γ为待检测地质体顶界面对电磁波的反射系数，σ为待检测地质体的应力值，
为待检测地质体的视电阻率，H为待检测地质体所在深度，A为附加常数，a为仪器监测频点的二分之一带宽，B为传感器灵敏度参数，Ci为系数，k为常数，且k＝9.4×105，v为泊松比，E为弹性模量。
进一步的，所述步骤6具体包括：
采用公式：
计算激光束的接收功率；其中，pR表示激光束的接收功率，PT表示发射的激光束功率，m表示调制器的光波调制度，As表示激光束的孔径面积，At表示地质体反射激光的有效面积，Ωt表示地质体散射立体角，Ωs表示发射光束立体角，R表示激光传感器到地质体的距离，ρ表示地质体反射率，T表示总透光率，μ表示大气消光系数。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明通过利用激光数据初步判断地质体附近是否含有金属，然后使用传感器来感知待检测地质体反射的天然电磁波信号，并对天然电磁波信号进行放大和筛选处理后得到选频信号，可以对地质体的特性进行分析从而得出该地质体附近金属矿体的种类、埋藏深度、厚度和产状，大大提高了金属矿体的勘测效率,且基本不受常规电气设备、轮船铁质材料或者海浪冲击的影响，具有探测深度大，探测精度高的优点。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的方法而言，由于其与实施例公开的装置相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见装置部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (9)
1.一种金属矿体探测仪，其特征在于，包括：
传感器，用于接收待检测地质体反射的天然电磁波信号；
电磁信号处理电路，与所述传感器连接，用于对所述天然电磁波信号依次进行放大、滤波和选频处理得到选频信号；
激光传感器，用于采集待检测地质体的激光数据；
上位机，分别与所述电磁信号处理电路和所述激光传感器连接，用于显示所述选频信号，并根据激光数据判定待检测地质体是否富含金属。
2.根据权利要求1所述的一种金属矿体探测仪，其特征在于，还包括：
激光器驱动电路，与所述激光传感器连接，用于驱动所述激光传感器发出激光。
3.根据权利要求2所述的一种金属矿体探测仪，其特征在于，所述激光器驱动电路包括：
电压放大电路，用于对初始电压信号进行放大，得到放大后的电压信号；
第一晶体管，所述第一晶体管的基极与所述电压放大电路的输出端连接，所述第一晶体管的集电极与所述激光传感器的供电端连接；
第二晶体管，所述第二晶体管的集电极分别与所述第一晶体管的发射极和所述激光传感器的另一供电端连接。
4.根据权利要求3所述的一种金属矿体探测仪，其特征在于，还包括：
电阻，所述电阻的一端与所述第一晶体管的发射极连接，所述电阻的另一端与所述第二晶体管的集电极连接。
5.根据权利要求1所述的一种金属矿体探测仪，其特征在于，所述传感器，包括：
第一覆铜板；
第二覆铜板，所述第二覆铜板通过胶水粘连在所述第一覆铜板上，且所述第一覆铜板和所述第二覆铜板之间具有绝缘层；
铁皮，所述铁皮包覆在所述第一覆铜板外侧。
6.根据权利要求2所述的一种金属矿体探测仪，其特征在于，所述第一覆铜板和所述第二覆铜板的尺寸和厚度均相同。
7.一种探测信号处理方法，其特征在于，所述方法应用于权利要求1-6任意一项所述的一种金属矿体探测仪，包括：
获取待检测地质体反射的天然电磁波信号；
对所述天然电磁波信号依次进行放大和滤波后得到放大后的天然电磁波信号；
根据待检测地质体在海中的深度确定截止频率的电压值；
利用所述截止频率的电压值对所述放大后的天然电磁波信号进行筛选得到选频信号；
获取待检测地质体的激光数据和激光传感器与待检测地质体的距离；
根据所述激光数据和所述距离计算待检测地质体反射的激光束的接收功率；
根据所述接收功率判断所述待检测地质体是否富含金属。
8.根据权利要求7所述的一种探测信号处理方法，其特征在于，所述根据待检测地质体在海中的深度确定截止频率的电压值，包括：
采用公式：
确定截止频率的电压值；其中，Vfi为截止频率的电压值，γ为待检测地质体顶界面对电磁波的反射系数，σ为待检测地质体的应力值，
为待检测地质体的视电阻率，H为待检测地质体所在深度，A为附加常数，a为仪器监测频点的二分之一带宽，B为传感器灵敏度参数，Ci为系数，k为常数，且k＝9.4×105，v为泊松比，E为弹性模量。
9.根据权利要求7所述的一种探测信号处理方法，其特征在于，所述根据所述激光数据和所述距离计算待检测地质体反射的激光束的接收功率，包括：
采用公式：
计算激光束的接收功率；其中，pR表示激光束的接收功率，PT表示发射的激光束功率，m表示调制器的光波调制度，As表示激光束的孔径面积，At表示地质体反射激光的有效面积，Ωt表示地质体散射立体角，Ωs表示发射光束立体角，R表示激光传感器到地质体的距离，ρ表示地质体反射率，T表示总透光率，μ表示大气消光系数。
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| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN114047553A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114966864A (zh) * | 2022-06-24 | 2022-08-30 | 山东省地质矿产勘查开发局第三地质大队(山东省第三地质矿产勘查院、山东省海洋地质勘查院) | 一种变质岩区晶质石墨矿找矿方法及系统 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE10213115A1 (de) * | 2002-03-23 | 2003-10-16 | Lorenz Roatzsch | Verfahren zum Aussortieren von Metallobjekten bzw. eine Sortieranlage, ein Detektor sowie eine Schaltungsanordnung hierfür |
| CN113433539A (zh) * | 2021-06-22 | 2021-09-24 | 哈尔滨工程大学 | 一种基于混沌检测的水下电流场探测系统及方法 |
| CN217213191U (zh) * | 2021-12-08 | 2022-08-16 | 海南鑫镁科技有限公司 | 一种金属矿体探测仪 |
-
2021
- 2021-12-08 CN CN202111490389.9A patent/CN114047553A/zh active Pending
Patent Citations (3)
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| CN114966864B (zh) * | 2022-06-24 | 2024-03-08 | 山东省地质矿产勘查开发局第三地质大队(山东省第三地质矿产勘查院、山东省海洋地质勘查院) | 一种变质岩区晶质石墨矿找矿系统 |
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